Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bohranker nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Bohranker bestehen aus faserverstärktem Kunststoff, wobei sowohl in Längsrichtung des Bohrankers verlaufende Fasern als auch schräg zur Längsrichtung des Bohrankers verlaufende Fasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Um die Bohranker auch als Injektionsbohranker einsetzen zu können sind sie mit einem zentralen Kanal versehen, der durch eine sich über die gesamte Länge des Bohrankers durchgehende axiale Bohrung gebildet ist.
Bohranker sind auch als sogenannte "selbstbohrende" Anker (SB-Anker) allgemein bekannt. Sie werden vor allem im Bergbau oder beim Tunnelbau zur Sicherung von Bauelementen wie beispielsweise Decken oder Wänden eingesetzt. Insbesondere verwendet man sie dann, wenn Fels, Gebirge oder Gestein brüchig und das Ankerbohrloch so instabil ist, dass es schon während des Bohrens oder nach dem Ziehen des herkömmlichen Bohrgestänges kollabiert und ein konventioneller Anker nicht gesetzt werden kann. Die Bohranker vereinen dabei die Funktion des Bohrgestänges, welches herkömmlicherweise in Verbindung mit einer Schlag- oder Drehbohrmaschine dem Bohren von Löchern dient, mit der Funktion des anschließend in die gebohrten Löcher eingesetzten Ankers, so dass das Herausziehen des Bohrgestänges und das Einbrechen der Bohrlochwand vermieden werden kann. Die Bohranker werden dabei vorne mit einer Bohrkrone versehen und hinten mit einer Bohrmaschine bzw. Bohr-Vorrichtung verbunden. Nach dem Bohren wird durch den inneren Kanal des Bohrankers Injektionsmaterial in das gebohrte Loch eingepresst und auf das vorstehende Rohrende wird eine Spannmutter aufgeschraubt, welche eine Druckplatte gegen die Bohrlochwand presst. Der Bohranker bleibt dabei als verlorener Bohranker in dem Bohrloch.
Derartige Bohranker waren zunächst nur aus Stahlrohr bekannt. Bei temporären Anwendungen oder wenn ein erhöhter Korrosionsschutz erforderlich ist, kommen jedoch anstelle von Stahlrohren auch Kunststoffsysteme zum Einsatz, die international auch als "FRP-System" bezeichnet werden (FRP= Fiber Reinforced Plastic). So sind auch Bohranker der eingangs genannten Art aus faserverstärktem Kunststoff vorgeschlagen worden. Sie sind nicht nur resistent gegen Korrosion, sondern bei geringerem Gewicht auch leichter handhabbar und vergleichsweise preiswert, so dass die korrosionsbedingten Probleme mit geringem Kostenaufwand dauerhaft und wirkungsvoll bekämpft werden können. Außerdem können derartige faserverstärkte Kunststoff-Bohranker beim späteren Abbau einer befestigten Wand auch problemlos zerspant werden.
Faserverstärkte Kunststoffe stellen Faserverbundwerkstoffe dar, bei denen die Kunststoffe mit aus einem anderen Material bestehenden Fasern kombiniert werden, um positive Synergieeffekte und in der gewünschten Richtung verbesserte, insbesondere mechanisch verbesserte Eigenschaften des Kunststoffs zu erhalten. Als Fasern können beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern (= Carbonfasern), Siliciumcarbidfasern oder Borfasern eingesetzt werden, die vorzugsweise in Längsrichtung eines Stabprofils mit sogenannter unidirektionaler Faserorientierung in den Kunststoff eingebettet werden. Eine Vielzahl von parallel zueinander orientierten Fasern, die beispielsweise einen Durchmesser von 10 bis 30 µm haben können, wird so von einer Matrix aus Kunststoffharz umgeben. Dabei verleihen die Fasern dem Verbundwerkstoff seine hohe Festigkeit in Längsrichtung, während die Harzmatrix dazu dient, die Fasern in ihrer Lage zu fixieren und sie gleichzeitig vor schädlichen Einflüssen zu schützen.
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Darüber hinaus sind faserverstärkte Kunststoff-Bohranker der eingangs genannten Art aus der
Nachteilig bei diesen vorbekannten Bohrankern ist jedoch eine nur eingeschränkte Verbundwirkung in eingepresstem Beton oder anderen umgebenden Medien oder umgebenden Gestein. Außerdem können die beim Bohren auftretenden Belastungen trotz des zweilagigen Faseraufbaus zu Beschädigungen der Bohranker führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Bohranker der eingangs genannten Art aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen, der die komplex auftretenden Spannungen und resultierenden Kräfte im Bohrbetrieb besser aufnehmen kann. Außerdem soll ein multifunktional einzusetzenden Bohranker bereitgestellt werden, der eine ausreichende hydraulische Festigkeit für das Spülen mit Bohrwasser und das anschließende Hochdruckinjizieren mit sehr hohen Drücken aufweist sowie gleichzeitig auch die in den Anker eingeleiteten komplexen Verspannungen und Belastungen im vorzerstörten Fels kompensieren kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Bohranker nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass eine erste Faserlage mit schräg zur Längsrichtung des Bohrankers verlaufenden Fasern von einer zweiten Faserlage mit in Längsrichtung des Bohrankers verlaufenden Fasern umgeben ist, dass die zweite Faserlage von mindestens einer dritten Faserlage mit schräg zur Längsrichtung des Bohrankers verlaufenden Fasern umgeben ist, und dass der Bohranker ein über seine gesamte Länge sich erstreckendes Gewinde aufweist, welches in mindestens eine äußere Faserlage des Bohrankers eingeformt ist.
Der Hauptvorteil liegt dabei darin, dass ein wesentlich vielseitiger einzusetzender Bohranker geschaffen wird, der bei einer deutlich höheren Belastbarkeit eine dauerhaft größere Sicherheit gewährleistet. Insbesondere können die beim Bohrvorgang auftretenden komplexen Spannungen und resultierenden Kräfte, insbesondere Schleppkräfte aus axialer Stauchung und Torsion z. B. durch Reibung und Schneidkraft wesentlich besser aufgenommen werden. Auch können wesentlich höhere hydraulische Drücke beim Spülen mit Bohrwasser, aber insbesondere auch beim anschließenden Hochdruckinjizieren z. B. mit 2-K-Systemen und Drücken über 300 bar ohne Beschädigungen des Bohrankers aufgenommen werden und gleichzeitig auch die komplexen aus Zug-, Schub- und Scherkräften eingeleiteten Verspannungen und Belastungen des Ankers im Fels kompensiert werden.
Der erfindungsgemäße Bohranker ist bei einfacher Konstruktion kostengünstig herzustellen und bei geringem Gewicht leicht handzuhaben. Darüber hinaus wird auch hierbei ein optimaler Korrosionsschutz selbst bei Langzeit anwendungen gewährleistet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Faserlage von mindestens einer vierten Faserlage umgeben ist. Hierdurch kann eine noch bessere Festigkeit und eine hinsichtlich der auftretenden Belastungen optimierte Ausbildung des Bohrankers erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die erste und/oder dritte Faserlage Fasern umfasst, die in einem Winkel zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50°, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° zur Längsrichtung des Bohrankers wendelförmig gewickelt sind.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die erste und/oder dritte Faserlage jeweils eine erste Gruppe von Fasern, die in einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Längsrichtung des Bohrankers in einer ersten Steigungsorientierung gewickelt sind, sowie ferner eine zweite Gruppe von Fasern umfasst, die in einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Längsrichtung des Bohrankers in der entgegengesetzten Steigungsorientierung gewickelt sind. Die beiden Gruppen von Fasern können dabei entweder getrennt nacheinander oder auch durcheinander gemischt eingebracht werden.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Fasern einzelner Faserlagen in Kunststoffe eingebettet sind, die von dem Kunststoff der benachbarten Faserlagen verschieden sind.
Ebenso können vorteilhafterweise die Fasern einzelner Faserlagen aus einem Material bestehen, das von dem Material der benachbarten Faserlagen verschieden ist.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die erste und/oder dritte Faserlage schräg zur Längsrichtung des Bohrankers verlaufende Fasern umfasst, die in Vinylesterharz gebettet sind. Die Einbettung der den inneren Kanal begrenzenden Fasern in Vinylesterharz dient vorteilhafterweise der Erhöhung der chemischen Beständigkeit des Bohrankers.
Die zweite Faserlage mit in Längsrichtung des Bohrankers verlaufenden Fasern ist vorzugsweise in Epoxiharz gebettet. Sie ermöglichen so eine optimale Übertragung der Zug- und Druckkräfte auch bei einer impulsartig auftretenden Schlagbelastung.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Fasern der ersten und/oder zweiten Faserlage Glasfasern sind. Die Fasern der dritten Faserlage sind vorzugsweise Carbonfasern. Auf diese Weise können sowohl sehr hohe Drehmomente als auch sehr hohe Schlagenergien des zum Einbringen des Bohrankers verwendeten Bohrhammers besonders effektiv über den Bohranker bis zu einer am Ankerfuß montierten Bohrkrone übertragen werden, wobei das Risiko einer Zerstörung des Ankers auf ein Minimum reduziert ist.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die vierte Faserlage Glasfasern umfasst, die vorzugsweise in Epoxiharz gebettet sind. In diese oder auch in andere äußere Faserschichten des Bohrankers kann das Gewinde faseranschnittfrei eingeformt werden. Auf diese Weise wird ohne Einschneiden und somit ohne Zerstörung der Fasern ein hochfestes Gewinde erreicht, das bei seiner erfindungsgemäßen Länge eine optimale Verbundwirkung zu seiner Umgebung herstellt.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Bohranker bezogen auf das Volumen einen Faseranteil von mindestens 80% und einen Kunststoffharzanteil von höchstens 20% aufweist. Auf diese Weise werden optimale Festigkeitswerte hinsichtlich aller auftretenden Belastungen erreicht.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das Gewinde des Bohrankers mit einer ausgehärteten Schutzbeschichtung versehen ist. Die Schutzbeschichtung kann als Topcoating insbesondere aus einem ausgehärteten Gel bestehen und nicht nur einem mechanischen Schutz, sondern auch einem UV-Schutz sowie insbesondere auch einem Säureschutz des Gewindes dienen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrankers der vorangehend beschriebenen Art. Danach wird der Bohranker in mehreren Lagen mit getrennten Schichten durch Pultrusion hergestellt, wodurch trotz der verbesserten Eigenschaften des Bohrankers eine kostengünstige und einfache Fertigung ermöglichst wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Der in den Figuren dargestellte Bohranker 1 besteht aus faserverstärktem Kunststoff, der mehrlagig aufgebaut ist. Der Bohranker 1 hat eine über seine gesamte Länge durchgehende axiale Bohrung 2 sowie ein ebenfalls über seine gesamte Länge durchgehendes Außengewinde 3 mit einer wellenförmigen Kontur.
Beim lagenweisen bzw. schichtweise Laminieren werden die Fasern oder die Gruppen von Fasern nicht nur parallel-unidirektional angeordnet sondern insbesondere in der obersten Lage entgegengesetzt der Gewindedreh- und Bohrrichtung gewickelt bzw. getwistet in der Harzmatrix gebettet.
In der hier dargestellten Ausführungsvariante sind zur Erhöhung der hydraulischen Stabilität zwei Gruppen von Glasfasern in einer ersten Faserlage 4 mit gleichzeitig hoher mechanischer und chemischer Beständigkeit in Vinylharz gebettet. Diese beiden Gruppen der ersten Faserlage 4 sind jeweils unter einem Winkel von 45° zur axialen Ausrichtung des Bohrankers 1 gegenläufig zueinander gewickelt.
Darauf aufbauend ist eine zweite Faserlage 5 von Glasfasern in Längsrichtung des Bohrankers 1 in Epoxiharz gebettet. Sie dient zur Aufnahme hoher mechanischer axialer Zug- und Druckkräfte.
In einer außenliegend darauf aufgebrachten dritten Faserlage 6 sind Carbonfasern entgegengesetzt zur Dreh- und Bohrrichtung des Außengewindes 3 in Vinylesterharz gebettet. Sie übernehmen die besonderen Reaktionskräfte aus der Bohrarbeit. Gleichzeitig bieten sie aufgrund des aufnehmenden Vinylesterharzes einen permanenten Schutz für die Glasfasern im Kern gegen äußere chemische Einwirkungen.
In einer äußeren Abschlusslaminierung 7, die aus Glasfasern in Epoxiharz gebildet wird, ist das hochfeste Gewinde 3 ohne Zerstörung der durchgehenden Glasfasern eingeformt.
Durch den Bohranker 1 wird nach dem Abbohren über diverse Adaptersysteme injiziert. Bei Zementmörtel ist das unkritisch weil keine hohen Injektionsdrücke und kaum Reaktionsdrücke auftreten, nicht am oder im Bohranker 1 hochenergetisch gemischt und Druck gehalten werden muss und das Bohrloch selbst nicht aufwändig verschlossen gehalten werden muss. Bei Zweikomponentenmörteln müssen jedoch gut dichtende Adapter mit vorgeschalteten Ventilen, integriertem Mischer, Düse und Rückschlagventil verwendet werden. Dazu muss das Ankerrohr 1 selbst auch im allgemeinen bis etwa 250 bar Arbeitsdruck bzw. Nenndruck (350 bar Berstdruck) hydraulisch belastbar sein. Diese Belastbarkeit wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Bohrankers 1 erreicht.
Ein selbst bohrender FRP-Anker 1 für rechtsdrehendes, rotatorisches Bohren hat im Gegensatz zu Stahlrohren aufgrund der Anisotropie des Faserverbundstoffes einen begrenzten Torsionswiderstand. Um dennoch mit der für drehendes Bohren erforderlichem hohen Andruckkraft einerseits (5 - 20 kN) und dem erforderlich hohen Drehmoment andererseits (300 Nm) arbeiten zu können, ist der erfindungsgemäße Bohranker hinsichtlich Harzgüte und Faserqualität wie auch Faserorientierung und Prozess optimiert.
In dem mehrlagig hergestellten, faserverstärkten Kunststoffrohr 1 werden gleichzeitig sowohl ein oder mehrere uni-direktionale Faserverläufe 5 als auch ein oder mehrere wendelförmig gewickelte Faserverläufe 4, 6 mit gleichen und/oder unterschiedlichen Richtungen und auch gleichen oder unterschiedlichen Steigungen unabhängig voneinander bedarfsweise in beliebiger Zusammenstellung kombiniert. Insbesondere an der Oberfläche in den Randschichtfasern 7 der Schraubprofilierung 3 können die Fasern einen gegenläufigen Faserverlauf aufweisen, so dass bei linksgängigen Schraubprofil für linksdrehendes Bohren dann ein rechtsgängig gewickelter Faserverlauf in der Randschicht 7 vorliegt und umgekehrt das Kunststoffrohr 1 für rechtsdrehendes Bohren ein rechtsgängiges Schraubprofil mit dann linksgängigem Faserverlauf in der Randschicht 7 aufweist. Dabei ist vorzugsweise das selbe Steigungsmaß vorgesehen, wobei die Geometrie der Schraubprofilierung jeweils links- bzw. rechtsgängig gewindekompatibel mit diversen Standardzubehörteilen aus dem links-drehschlag-bohrenden Bereich oder aber aus dem rechts-dreh-bohrenden Bereich schraubbar ist. Außerdem weist das durchgehende Schraubprofil 3 auch in Mörteln und im Beton mit optimierter bezogener Rippenfläche ausgezeichnete Verbundeigenschaften auf.
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